鋰電池負(fù)極用銅箔的原因
鋰電池是利用儲(chǔ)存在正極材料中的鋰離子以及電子在充電放電過(guò)程中反向移動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)正常工作的，其主要結(jié)構(gòu)為正極、負(fù)極和電解液。除了主要的四大部分外，用來(lái)存放正負(fù)極材料的集流體也是鋰電池的重要組成部分，其主要功能是將電池活性物質(zhì)產(chǎn)生的電流匯集起來(lái)，以便形成較大的電流對(duì)外輸出。根據(jù)鋰離子電池的工作原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，正極和負(fù)極材料需涂覆于導(dǎo)電集流體上，因此集流體應(yīng)與活性物質(zhì)充分接觸，并且內(nèi)阻應(yīng)盡可能小。
銅箔和鋁箔具有良好的導(dǎo)電性、、已形成氧化保護(hù)膜、質(zhì)地較軟有利于粘結(jié)、制造技術(shù)較成熟、價(jià)格相對(duì)低廉等優(yōu)勢(shì)，因此被選擇作為鋰電池集流體的主要材料。鋰電池的正極電位高，鋁箔的氧化層比較致密，可防止集流體氧化，而銅在高電位下會(huì)發(fā)生嵌鋰反應(yīng)，不宜做正極集流體，正極集流體一般采用鋁箔；而負(fù)極的電位低，鋁箔在低電位下易形成鋁鋰合金，負(fù)極集流體一般采用銅箔，銅箔和鋁箔之間不具備互替性。
鋰離子電池原理圖
鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)
鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)電池的負(fù)極活性物質(zhì)由約90%的負(fù)極活性物質(zhì)碳材料、4%~5%的乙炔黑導(dǎo)電劑、6%~7%的粘合劑均勻混合后，一般將配好的負(fù)極活性醬料均勻涂覆于銅箔集流體表面，活性材料厚度為50~100m，經(jīng)干燥、滾壓、分切等工序，制得負(fù)極電極。鋰電池的基本性能與整個(gè)電池系統(tǒng)的材料密切相關(guān)。對(duì)于負(fù)極，除負(fù)極活性材料外，銅箔的質(zhì)量也對(duì)負(fù)極制作工藝及電池性能有很大影響。
鋰電銅箔性能指標(biāo)對(duì)鋰電池的影響
作為鋰電池的集流體的鋰電銅箔，一般厚度通常在7-20μm之間。目前新能源汽車(chē)配備的銅箔厚度為8~12μm，整車(chē)銅箔的質(zhì)量達(dá)到10kg以上。鋰電銅箔厚度越小，意味著電池的重量將越輕。同時(shí)，更薄的鋰電銅箔也意味著更小的電阻，則電池的性能也將得到提升。因此，減輕電池上銅箔的質(zhì)量，降低銅箔原材料成本，同時(shí)提供更高的能量密度，成為動(dòng)力鋰電池用銅箔關(guān)鍵。我們認(rèn)為，未來(lái)使用更加輕薄的鋰電銅箔是大趨勢(shì)。
鋰電銅箔性能要求
為何負(fù)極用銅箔，正極用鋁箔？
對(duì)于鋰離子電池來(lái)說(shuō)，通常使用的正極集流體是鋁箔，負(fù)極集流體是銅箔。為了保證集流體在電池內(nèi)部穩(wěn)定性，二者純度都要求在98%以上。隨著鋰電技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)論是用于數(shù)碼產(chǎn)品的鋰電池還是電動(dòng)汽車(chē)的電池，我們都希望電池的能量密度盡量高，電池的重量越來(lái)越輕，而在集流體這塊最主要就是降低集流體的厚度和重量，從直觀上來(lái)減少電池的體積和重量。鋰離子電池的正極為什么用鋁箔，而負(fù)極用銅箔，原因有以下三點(diǎn)：
☆一是銅鋁箔導(dǎo)電性好，質(zhì)地軟，價(jià)格便宜。
我們都知道，鋰電池工作原理是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的一種電化學(xué)裝置，那么在這個(gè)過(guò)程中，我們需要一種介質(zhì)把化學(xué)能轉(zhuǎn)化的電能傳遞出來(lái)，這里就需要導(dǎo)電的材料。而在普通材料中，金屬材料是導(dǎo)電性最好的材料而在金屬材料里價(jià)格便宜導(dǎo)電性又好的就是銅箔和鋁箔。同時(shí)，在鋰電池中，我們主要有卷繞和疊片兩種加工方式。相對(duì)于卷繞來(lái)說(shuō)，需要用于制備電池的極片具有一定的柔軟性，才能保證極片在卷繞時(shí)不發(fā)生脆斷等問(wèn)題，而金屬材料中，銅鋁箔也是質(zhì)地較軟的金屬。最后就是考慮電池制備成本，相對(duì)來(lái)說(shuō)，銅鋁箔價(jià)格相對(duì)便宜，世界上銅和鋁元素資源豐富。
☆二是銅鋁箔在空氣中也相對(duì)比較穩(wěn)定。
鋁很容易跟空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在鋁表面層生成一層致密的氧化膜，阻止鋁的進(jìn)一步反應(yīng)，而這層很薄的氧化膜在電解液中對(duì)鋁也有一定的保護(hù)作用。銅在空氣中本身比較穩(wěn)定，在干燥的空氣中基本不反應(yīng)。
☆三是鋰電池正負(fù)極電位決定正極用鋁箔，負(fù)極用銅箔，而非反過(guò)來(lái)。
正極電位高，銅箔在高電位下很容易被氧化，而鋁的氧化電位高，且鋁箔表層有致密的氧化膜，對(duì)內(nèi)部的鋁也有較好的保護(hù)作用。采用兩者做集流體都是因?yàn)閮烧邔?dǎo)電性好，質(zhì)地比較軟（可能這也會(huì)有利于粘結(jié)），也相對(duì)常見(jiàn)比較廉價(jià)，同時(shí)兩者表面都能形成一層氧化物保護(hù)膜。
一、金屬鋁的晶格八面體空隙大小與Li 大小相近，極易與Li形成金屬間隙化合物，Li 和Al不僅形成了化學(xué)式為L(zhǎng)iAl的合金，還有可能形成了Li3Al2或Li4Al3。由于金屬Al與Li 反應(yīng)的高活潑性，使金屬Al消耗了大量的Li ，本身的結(jié)構(gòu)和形態(tài)也遭到破壞，故不能作為鋰離子電池負(fù)極的集流體；而Cu在電池充放電過(guò)程中，只有很少的嵌鋰容量，并且保持了結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的穩(wěn)定，可作為鋰離子電池負(fù)極的集流體；Cu箔在3.75V時(shí)，極化電流開(kāi)始顯著增大，并且呈直線上升，氧化加劇，表明Cu在此電位下開(kāi)始不穩(wěn)定；而鋁箔在整個(gè)極化電位區(qū)間，極化電流較小，并且恒定，沒(méi)有觀察到明顯腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生，保持了電化學(xué)性能的穩(wěn)定。由于在鋰離子電池正極電位區(qū)間， Al的嵌鋰容量較小，并且能夠保持電化學(xué)穩(wěn)定，適合作鋰離子電池的正極集流體。
二、銅/鎳表面氧化層屬于半導(dǎo)體，電子導(dǎo)通，氧化層太厚，阻抗較大；而鋁表面氧化層氧化鋁屬絕緣體，氧化層不能導(dǎo)電，但由于其很薄，通過(guò)隧道效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電子電導(dǎo)，若氧化層較厚，鋁箔導(dǎo)電性級(jí)差，甚至絕緣。一般集流體在使用前最好要經(jīng)過(guò)表面清洗，一方面洗去油污，同時(shí)可除去厚氧化層。
三、正極電位高，鋁薄氧化層非常致密，可防止集流體氧化。而銅/鎳箔氧化層較疏松些，為防止其氧化，電位比較低較好，同時(shí)Li難與Cu/鎳在低電位下形成嵌鋰合金，但是若銅/鎳表面大量氧化，在稍高電位下Li會(huì)與氧化銅/鎳發(fā)生嵌鋰發(fā)應(yīng)。而鋁箔不能用作負(fù)極，低電位下會(huì)發(fā)生LiAl合金化。
四、集流體要求成分純。Al的成分不純會(huì)導(dǎo)致表面膜不致密而發(fā)生點(diǎn)腐蝕，更甚由于表面膜的破壞導(dǎo)致生成LiAl合金。
鋰電用銅鋁箔厚度要求：
隨著近些年鋰電迅猛發(fā)展，鋰電池用集流體發(fā)展也很快。正極鋁箔由前幾年的16um降低到14um，再到12um，現(xiàn)在已經(jīng)不少電池生產(chǎn)廠家已經(jīng)量產(chǎn)使用10um的鋁箔，甚至用到8um。而負(fù)極用銅箔，由于本身銅箔柔韌性較好，其厚度由之前12um降低到10um，再到8um，到目前有很大部分電池廠家量產(chǎn)用6um，以及部分廠家正在開(kāi)發(fā)的5um/4um都是有可能使用的。由于鋰電池對(duì)于使用的銅鋁箔純度要求高，材料的密度基本在同一水平，隨著開(kāi)發(fā)厚度的降低，其面密度也相應(yīng)降低，電池的重量自然也是越來(lái)越小，符合我們對(duì)于鋰電池的需求。
鋰電用銅鋁箔表面粗糙度要求：
對(duì)于集流體，除了其厚度重量對(duì)鋰電池有影響外，集流體表面性能對(duì)電池的生產(chǎn)及性能也有較大的影響。尤其是負(fù)極集流體，由于制備技術(shù)的缺陷，市場(chǎng)上的銅箔以單面毛、雙面毛、雙面粗化品種為主。這種兩面結(jié)構(gòu)不對(duì)稱導(dǎo)致負(fù)極兩面涂層接觸電阻不對(duì)稱，進(jìn)而使兩面負(fù)極容量不能均勻釋放；同時(shí)，兩面不對(duì)稱也引發(fā)負(fù)極涂層粘結(jié)強(qiáng)度不一致，是的兩面負(fù)極涂層充放電循環(huán)壽命嚴(yán)重失衡，進(jìn)而加快電池容量的衰減。